CN111884622B - 一种宽频带工作的差分有源电感 - Google Patents

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Abstract

一种宽频带工作的差分有源电感涉及射频集成电路领域，包括：第一N型MOS晶体管(M1)，第二N型MOS晶体管(M2)，第三N型MOS晶体管(M3)，第四N型MOS晶体管(M4)，第五P型MOS晶体管(M5)，第六P型MOS晶体管(M6)，第七N型MOS晶体管(M7)，第八N型MOS晶体管(M8)以及由无源电感L和MOS变容管并联构成的LC谐振电路。其中，晶体管M1、M3和M2、M4构成差分有源电感架构，M5、M6、M7和M8构成有源电感偏置电流源，LC谐振电路加在晶体管M3与M4漏极之间、晶体管M1与M2栅极之间，实现了有源电感宽的工作频带、在宽频带及高频下具有高的Q值和大的电感值，并实现电感值和Q值可调谐。

Description

一种宽频带工作的差分有源电感
技术领域
本发明涉及射频器件与射频集成电路领域，特别是涉及宽工作频带内保持高Q值及大电感值的射频电感元件。
背景技术
电感是设计压控振荡器、分频器、放大器等射频集成电路(RFICs)的基本元件。目前经常使用的在片无源螺旋电感，虽具有结构简单、无直流功耗等特点，但往往存在着面积大、寄生电阻电容大，导致品质因数(Q值)低、工作频率较小且电感值和Q值不可调节等缺点，越来越不符合CMOS RFICs向小面积和高性能发展的趋势。
采用MOS晶体管合成的等效电感电路(有源电感，AI)，因其面积小、电感性能可调等优势，为克服在片无源螺旋电感上述问题提供了一个解决方案，引起了学者的广泛关注。
但是，目前大多数报道的有源电感，难以同时取得宽的工作频带、在宽频带以及高频下大的电感值和高的Q值。这是由于所采用的现有技术手段的局限性所决定的。例如，广泛采用的反馈电阻技术，对提升有源电感的Q值和电感值是有效的，但只局限于较低频率范围内，不能改善工作带宽及高频性能，难以使有源电感获得优良的综合性能。
发明内容
本发明的目的是实现一种具有宽工作频带，且在宽频带范围内和高频下均具有大的电感值和高的Q值，同时电感值和Q值具有可调谐性的有源电感。
本发明采用的技术方案如下：
一种宽工作频带内高Q值大电感值的可调谐差分有源电感，如图1所示。该有源电感包括：第一N型MOS晶体管(M1)，第二N型MOS晶体管(M2)，第三N型MOS晶体管(M3)，第四N型MOS晶体管(M4)，第五P型MOS晶体管(M5)，第六P型MOS晶体管(M6)，第七N型MOS晶体管(M7)，第八N型MOS晶体管(M8)和由在片无源螺旋电感L与MOS变容管构成的LC谐振电路。
所述有源电感的LC谐振电路中无源电感L和MOS变容管有源可变电容C为并联结构。
所述有源电感中无源电感L的第一端和由MOS变容管构成的电容C的第一端，同时连接正输入端(Vin+)、第三N型MOS晶体管(M3)的源极、第二N型MOS晶体管(M2)的栅极、第四N型MOS晶体管(M4)的漏极、第六P型MOS晶体管(M6)的漏极；第三N型MOS晶体管(M3)的栅极同时连接第一N型MOS晶体管(M1)的源极和第七N型MOS晶体管(M7)的漏极；无源电感L的第二端和由MOS变容管构成的电容C的第二端，同时连接第三N型MOS晶体管(M3)的漏极、第一N型MOS晶体管(M1)的栅极、第五P型MOS晶体管(M5)的漏极、第四N型MOS晶体管(M4)的源极和负输入端(Vin-)；第一N型MOS晶体管(M1)的漏极同时连接第五P型MOS晶体管(M5)的源极、第六P型MOS晶体管(M6)的源极、第二N型MOS晶体管(M2)的漏极和电源(VDD)；第五P型MOS晶体管(M5)的栅极连接控制电压(Vb1)；第六P型MOS晶体管(M6)的栅极连接控制电压(Vb2)；第二N型MOS晶体管(M2)的源极同时连接第四N型MOS晶体管(M4)的栅极和第八N型MOS晶体管(M8)的漏极；第七N型MOS晶体管(M7)的栅极连接控制电压(Vb3)；第八N型MOS晶体管(M8)的栅极连接控制电压(Vb4)；第七N型MOS晶体管(M7)的源极连接地端；第八N型MOS晶体管(M8)的源极连接地端。
本发明有源电感实施例的具体原理如下：第一N型MOS晶体管(M1)和第二N型MOS晶体管(M2)构成正跨导器，第三N型MOS晶体管(M3)和第四N型MOS晶体管(M4)构成负跨导器，晶体管M1、M2、M3和M4构成交叉耦合对结构，M1、M2、M3和M4工作在饱和区，正跨导器和负跨导器构成有源电感架构，在正输入端(Vin+)和负输入端(Vin-)呈现电感特性；LC谐振电路连接在晶体管M3、M4漏极之间和晶体管M1、M2栅极之间，减小有源电感的等效串联电阻Rs，增大Q值，同时也使有源电感电路具有较小的等效并联电导GP，有利于提高有源电感Q值，并且也减小有源电感电路的等效并联电容CP，扩展了工作带宽。
进一步地，有源电感采用差分结构，信号由差分输入端(Vin+、Vin-)经过LC谐振电路，再经过晶体管M1、M3和晶体管M2、M4，增加了信号回路，提高了等效电感值。
进一步地，有源电感中第五P型MOS晶体管(M5)、第六P型MOS晶体管(M6)、第七N型MOS晶体管(M7)和第八N型MOS晶体管(M8)构成电流源，为第一N型MOS晶体管(M1)、第二N型MOS晶体管(M2)、第三N型MOS晶体管(M3)、第四N型MOS晶体管(M4)提供偏置电流。
进一步地，LC谐振电路中电容C采用MOS变容管实现，如图2所示。MOS变容管是一种电容值取决于控制电压的电容器。具体实现方式是将MOS管的源极S、漏极D和衬底B连接起来形成电容器第一电极(sdb电极)，MOS管的栅极G形成电容器第二电极(g电极)，可变电容取决于两个电极之间的电压Vsdb-g。通过调节Vsdb-g，增强对有源电感的电感值和Q值的可调性。
与现有技术相比，本发明采用的技术手段具有以下优点：
本发明在由交叉耦合对晶体管M1、M2、M3和M4组成正跨导器和负跨导器进而构成有源电感构架的基础上，在晶体管M3和M4漏极之间、晶体管M1和M2栅极之间引入由无源电感L和有源电容C并联构成的LC谐振电路，与现有技术相比，具有如下优点：(1)减小了有源电感等效电路中等效并联电容CP，进而增大了带宽，使得有源电感可以工作在宽频带下；(2)降低了有源电感等效串联电阻Rs，提高了Q值；(3)较小的等效并联电导GP也有利于提高有源电感Q值；(4)增加了经过LC谐振电路的回路，提升了等效电感值；(5)LC谐振电路中电容C采用MOS变容管实现，通过调节MOS变容管两个电极之间的电压Vsdb-g，可实现电感值和Q值的可调谐。因此，采用LC谐振电路，使有源电感具有宽的工作频带，且在宽频带范围内及高频下具有大的电感值和高的Q值，并使电感值和Q值具有可调谐性。
附图说明
图1是本发明中一种差分可调有源电感的实施例电路拓扑示意图。
图2是LC谐振电路中由MOS变容管构成的可变电容C结构示意图。
图3是本发明中差分可调有源电感在2-7.6GHz频率下电感值与工作频率的关系图。
图4是本发明中差分可调有源电感在2-7.6GHz频率下Q值与工作频率的关系图。
图5是本发明中差分可调有源电感在2-7.6GHz频率下，MOS变容管控制电压Vsdb-g分别为1.2V、1.5V和1.8V时电感值与工作频率的关系图。
图6是本发明中差分可调有源电感在2-7.6GHz频率下，MOS变容管控制电压Vsdb-g分别为1.2V、1.5V和1.8V时Q值与工作频率的关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
图1是该种差分可调有源电感的一个实施例。包括：第一N型MOS晶体管(M1)，第二N型MOS晶体管(M2)，第三N型MOS晶体管(M3)，第四N型MOS晶体管(M4)，第五P型MOS晶体管(M5)，第六P型MOS晶体管(M6)，第七N型MOS晶体管(M7)，第八N型MOS晶体管(M8)和由无源电感L和MOS变容管并联构成的LC谐振电路。
一种差分可调有源电感的实施例中电路的具体实施方式为：
所述有源电感中无源电感L的第一端和由MOS变容管构成的电容C的第一端，同时连接正输入端(Vin+)、第三N型MOS晶体管(M3)的源极、第二N型MOS晶体管(M2)的栅极、第四N型MOS晶体管(M4)的漏极、第六P型MOS晶体管(M6)的漏极；第三N型MOS晶体管(M3)的栅极同时连接第一N型MOS晶体管(M1)的源极和第七N型MOS晶体管(M7)的漏极；无源电感L的第二端和由MOS变容管构成的电容C的第二端，同时连接第三N型MOS晶体管(M3)的漏极、第一N型MOS晶体管(M1)的栅极、第五P型MOS晶体管(M5)的漏极、第四N型MOS晶体管(M4)的源极和负输入端(Vin-)；第一N型MOS晶体管(M1)的漏极同时连接第五P型MOS晶体管(M5)的源极、第六P型MOS晶体管(M6)的源极、第二N型MOS晶体管(M2)的漏极和电源(VDD)；第五P型MOS晶体管(M5)的栅极连接控制电压(Vb1)；第六P型MOS晶体管(M6)的栅极连接控制电压(Vb2)；第二N型MOS晶体管(M2)的源极同时连接第四N型MOS晶体管(M4)的栅极和第八N型MOS晶体管(M8)的漏极；第七N型MOS晶体管(M7)的栅极连接控制电压(Vb3)；第八N型MOS晶体管(M8)的栅极连接控制电压(Vb4)；第七N型MOS晶体管(M7)的源极连接地端；第八N型MOS晶体管(M8)的源极连接地端。
图2是本发明中LC谐振电路的电容C的结构图，电容C是由MOS变容管所构成。将MOS管的源极S、漏极D和衬底B相连接构成电容器第一电极(sdb电极)，MOS管的栅极G构成电容器第二电极(g电极)，可变电容的大小取决于两个电极之间的电压Vsdb-g。
图3是本发明中有源电感的电感值与工作频率的关系图。无源电感L取25nH。可以看出，在2-7.6GHz较宽频率范围内，电感值均大于20nH。在7.6GHz高频下，电感值达到130nH。以较小值25nH的无源电感，获得了有源电感的宽工作频带及在宽频带内和高频下电感值大幅提升，进而获得高的电感值。
图4是本发明中有源电感的Q值与工作频率的关系图。可以看出，在2-7.6GHz较宽频率范围内Q值均大于140，且在7.6GHz高频下，Q值可达332，实现了在宽频带范围内和高频下高的Q值。
图5是本发明改变MOS变容管构成的电容C两个电极之间电压Vsdb-g时，有源电感的电感值与工作频率的关系图。当Vsdb-g从1.2V调节至1.8V时，在7.6GHz高频下，电感值可以从107nH调节至130nH，调节范围达19.4％，实现了高频下对电感值的调谐。
图6是本发明改变MOS变容管构成的电容C两个电极之间电压Vsdb-g时，有源电感的Q值与工作频率的关系图。在2-7.6GHz宽工作频率范围内，当Vsdb-g＝1.2V时Q值均大于148，Vsdb-g＝1.5V时Q值均大于140，Vsdb-g＝1.8V时Q值均大于138。当Vsdb-g从1.2V调节至1.8V时，在7.6GHz高频下，Q值可以从257调节至418调节范围达47.7％，实现了高频下对Q值的调谐。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种宽频带工作的差分有源电感，其特征在于，包括：第一N型MOS晶体管(M1)，第二N型MOS晶体管(M2)，第三N型MOS晶体管(M3)，第四N型MOS晶体管(M4)，第五P型MOS晶体管(M5)，第六P型MOS晶体管(M6)，第七N型MOS晶体管(M7)，第八N型MOS晶体管(M8)和由无源电感L和MOS变容管构成的有源电容C经并联组成的LC谐振电路；
其中，无源电感L的第一端和由MOS变容管构成的电容C的第一端，同时连接正输入端(Vin+)、第三N型MOS晶体管(M3)的源极、第二N型MOS晶体管(M2)的栅极、第四N型MOS晶体管(M4)的漏极、第六P型MOS晶体管(M6)的漏极；第三N型MOS晶体管(M3)的栅极同时连接第一N型MOS晶体管(M1)的源极和第七N型MOS晶体管(M7)的漏极；无源电感L的第二端和由MOS变容管构成的电容C的第二端，同时连接第三N型MOS晶体管(M3)的漏极、第一N型MOS晶体管(M1)的栅极、第五P型MOS晶体管(M5)的漏极、第四N型MOS晶体管(M4)的源极和负输入端(Vin-)；第一N型MOS晶体管(M1)的漏极同时连接第五P型MOS晶体管(M5)的源极、第六P型MOS晶体管(M6)的源极、第二N型MOS晶体管(M2)的漏极和电源(VDD)；第五P型MOS晶体管(M5)的栅极连接控制电压(Vb1)；第六P型MOS晶体管(M6)的栅极连接控制电压(Vb2)；第二N型MOS晶体管(M2)的源极同时连接第四N型MOS晶体管(M4)的栅极和第八N型MOS晶体管(M8)的漏极；第七N型MOS晶体管(M7)的栅极连接控制电压(Vb3)；第八N型MOS晶体管(M8)的栅极连接控制电压(Vb4)；第七N型MOS晶体管(M7)的源极连接地端；第八N型MOS晶体管(M8)的源极连接地端。
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